DE1527578B2

DE1527578B2 - Verfahren zur herstellung eines metallischen etwa zylindri schen blockes

Info

Publication number: DE1527578B2
Application number: DE19651527578
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Edward. Farnham. Surrev . George Ronald Walter. Famborough. Hampshire Rv der Dennis Arthur. Maccles field Cheshire Forsvth. (Großbritannien)
Original assignee: Power Jets Research and Develop ment Ltd London
Priority date: 1964-02-21
Filing date: 1965-02-19
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3371407A; GB1055663A; DE1527578A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur das sich in einer der Zusammenstellung der Rolle Herstellung eines metallischen, etwa zylindrischen nachfolgenden Verfahrensstufe mit dem Grund-Blockes, der aus einem Grundmaterial und einem material legiert. Im allgemeinen werden die senkrecht Verstärkungsmaterial besteht, die beide achsgleich zur Blockachse verlaufenden Elemente aus einem zur Blockachse spiralförmig ineinander angeordnete, 5 legierungsbildenden Material bestehen, eine praktisch gleichmäßige Verteilung beider Ma- Bei einer anderen Art von Verstärkungsmaterial terialien ergebende Schichten bilden. können einige der Elemente mit hoher Festigkeit

Es ist allgemein bekannt, daß einige günstige rohrförmig sein und in dieser Weise weiterhin die physikalische Eigenschaften von einheitlichen und spezifische Festigkeit und den Elastizitätsmodul des sogar von vielen zusammengesetzten Materialien oft io resultierenden zusammengesetzten Materials verwegen der Unzulänglichkeit anderer Eigenschaften, bessern. Derartige rohrförmige Elemente können die den Materialien eigen sind und die beim Gebrauch auch in den Gegenständen, die aus dem Material in Erscheinung treten, nicht voll ausgenutzt werden gefertigt werden, für Kühlzwecke ausgenutzt werden, können. Beispielsweise stehen das Verhältnis von In verschiedenen Fällen können die verstärkenden Festigkeit zu Gewicht, die Ermüdungsdauer und die 15 Elemente mit hoher Festigkeit mit einem Metall überEigenschaften bei erhöhter Temperatur, d. h. die zogen sein, das in das Grundmaterial eindiffundiert Heißfestigkeit und der Kriechwiderstand miteinander und sich mit diesem legiert und so zu einer Verfestiin Beziehung. gung desselben bei einer dem anfänglichen Heiß-

Um einigen der vorstehend erwähnten Begrenzun- formen nachfolgenden Wärmebehandlung führt. Diese

gen durch die Unzulänglichkeiten gewisser Eigen- 20 Elemente können durch einenHeißtauchprozeß, durch

schäften zu begegnen, wurden in letzter Zeit Elektroplattierung oder durch Anwendung irgendeines

zusammengesetzte metallische Materialien mit be- anderen geeigneten Verfahrens überzogen werden,

sonderen Eigenschaften vorgeschlagen, und so ist es Eine andere Art von Verstärkungsmaterialbahn

beispielsweise bekannt, daß Sandwich-Plattenmate- kann aus einer durchgehenden Schicht eines weniger

rialien, deren zentrale Schicht die größte Duktilität 25 duktilen Materials höherer Festigkeit bestehen, die,

aufweist, eine größere Dauerfestigkeit als nicht wie zuvor beschrieben, mit einer Grundmaterialbahn

zusammengesetztes Plattenmaterial haben. Es ist bei- aufgerollt wird. Der dabei erzeugte zylindrische Block

spielsweise ebenfalls bekannt, daß der Einbau von besteht aus dem stärker duktilen Grundmaterial, das

Drähten hoher Festigkeit in eine metallische Matrix spiralförmig um die Längsachse des Blocks von der

zu einem erhöhten Verhältnis von Festigkeit zu 30 weniger duktilen Schicht durchsetzt ist.

Gewicht sowie zu einer erhöhten Beständigkeit gegen- " Die verschiedenen vorangehend angegebenen

über Ermüdung und/oder Kriechen führt. Kennzeichen können zur Herstellung von Blöcken

Bisher wurde solche zusammengesetzten Mate- bzw. Walzenkörpern aus Verbund-Material kombi-

rialien im wesentlichen in Plattenform vorgeschlagen, niert werden, bei deren Herstellung Bahnen mit ver-

wodurch der Bereich für den Einsatz dieses Materials 35 schiedener Legierungszusammensetzung mit oder

auf bestimmte Verarbeitungszwecke beschränkt ist ohne verstärkende(n) Bahn(en) aus Elementen, die

(USA.-Patentschrift 2 290 554). sich in Längsrichtung erstrecken, zusammengestellt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den werden. Derartige Kombinationen machen die ErEinsatz dieses zusammengesetzten Materials ohne zeugung von verschiedenen Verbund-Blöcken mögdiese Beschränkungen möglich zu machen. 40 Hch, die jeweils individuelle physikalische Eigen-

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein- schäften aufweisen, die von der Anordnung und dem gangs genannten Art erfindungsgemäß im wesent- Typ der Bahnen, die für die anfängliche Zusammenlichen dadurch gelöst, daß eine Grundmaterialbahn stellung benutzt werden, abhängen, und eine Verstärkungsmaterialbahn übereinanderge- Bei allen vorstehend angegebenen Verfahren kann legt werden und daß sie zu einer etwa zylindrischen 45 der aus den zusammengestellten Bahnen gebildete Form aufgerollt und anschließend durch Wärme- und Block bzw. die Rolle mit einer Schicht des Grund-Druckbehandlung in den Block umgewandelt werden, materials oder einer Legierung desselben vor dem

Bei diesem zusammengestetzten Material kann die Heißformungsprozeß bedeckt werden, beispielsweise

Verstärkungsmaterialbahn vor ihrer Zusammen- indem man ihn bzw. sie in ein Rohr aus einem

Stellung mit der Grundmaterialbahn in der Weise 50 solchen Material einsetzt.

gestaltet werden, daß eine gewünschte Verteilung des Ganz allgemein sollte es verständlich sein, daß ein

Verstärkungsmaterials erreicht wird. Schweißprozeß zur Verbindung der verschiedenen

Eine Art der Verstärkungsmaterialbahn kann aus Komponenten des zusammengesetzten Materials mit-Drähten hoher Festigkeit oder anderen in Längs- einander zu irgendeinem Zeitpunkt der Zusammenrichtung ausgedehnten Elementen bestehen, die 55 stellung oder Formung angewandt werden kann, parallel zur Längsachse des Blocks angeordnet sind. Nachfolgend werden, bezugnehmend auf die Eine besonders bevorzugte Verteilung des Verstär- Zeichnungen, verschiedene Beispiele zur Erläuterung kungsmaterials kann durch Einbau einer aus Drähten der Erfindung beschrieben.

hoher Festigkeit mit verschiedener Länge aufgebauten In den Zeichnungen dienen Fig. 1,2 und 3 zur

Verstärkungsmaterialbahn erreicht werden. 60 Veranschaulichung von Beispiel 1, in dem die Reihen-

Die Verstärkungsmaterialbahn kann zweckma- folge der Verfahrensschritte des allgemeinen erfin-

ßigerweise in einer gewebten oder anderen Maschen- dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von zu-

form vorliegen, wobei die in Richtung der Achse des sämmengesetzten metallischen Blöcken erläutert wird.

Blocks ausgedehnten Elemente der Maschen aus Die F i g. 4, 5 und 6 dienen zur Veranschaulichung

einem Material hoher Festigkeit und die senkrecht 65 von Beispiel 2, in dem die Herstellung eines zu-

dazu ausgedehnten Elemente aus einem Material sämmengesetzten Materials mit einer speziellen, relativ niedriger Festigkeit gebildet werden. Einige gezielten Anordnung der Verstärkung nach der in

dieser Elemente können aus einem Material bestehen, Beispiel 1 angegebenen Methode beschrieben wird.

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Die F i g. 7, 8 und 9 veranschaulichen die in Bei- in Beispiel 1 und 2 angegebenen Verfahren unter Verspiel 3 beschriebene Verwendung von rohrförmigen, Wendung von reinem Aluminium und duktilen Aluin Längsrichtung ausgedehnten Elementen zur Ver- miniumlegierungen für die Grundmaterialbahnen 10 Stärkung. und 21 und Drähten aus rostfreiem Stahl als Drähte

Fig. 10 veranschaulicht Beispiel 4 und entspricht 5 12 und 22 mit hoher Festigkeit hergestellt. Bei zahl-

Beispiel 1, und in Fig. 11 wird gezeigt, in welcher reichen Blöcken hatten die Drähte 12 und 22 einen

Weise die aufgerollten Anordnungen nach den Durchmesser zwischen 0,051 und 0,254 mm und bil-

F i g. 2, 5, 8 oder 10 mit einer bedeckenden Schicht deten bis zu 60 % des Blockvolumens. Die Drähte 13

versehen werden können. ■ ' und 23 bestanden aus reinem Aluminium. Vom

Gemäß Fig. 1 wird eine Grundmaterialbahn 10 io Standpunkt der Bearbeitbarkeit und dem Grad der

mit einer Verstärkungsmaterialbahn 11 zusammen- wesentlichen Einheitlichkeit des zusammengesetzten

gelegt, wobei die Bahn 11 zuoberst liegt. Die Bahn 11 Materials aus ist es im allgemeinen wünschenswert,

besteht aus einem gewebten Drahtnetz bzw. Maschen- Drähte zu verwenden, die unter Berücksichtigung der

material aus Drähten 12 mit hoher Festigkeit und Verarbeitbarkeit so fein wie möglich sind.

Legierungsdrähten 13 mit geringer Festigkeit. Das 15 Das durch die F i g. 7, 8 und 9 veranschaulichte

Material der Drähte 13 mit geringer Festigkeit legiert Beispiel 3 bringt eine Erweiterung des Verfahrens

Sich leicht mit dem Material der Grundmaterial- nach den Beispielen 1 und 2.

bahn 10. Das zusammengesetzte Material wird wieder durch

Die aufeinandergelegten Bahnen 10 und 11 werden gemeinsames Aufrollen einer Verstärkungsmaterial-

dann zu einer Rolle 14 aufgerollt, wie in F i g. 2 ge- 20 bahn 30 und einer Bahn 31 aus Grundmaterial zu

zeigt wird. Dieses Aufrollen wird am besten mecha- einer Rolle 32 und nachfolgendes Heißformen der

nisch vorgenommen, da dann ein gleichmäßiger Zug Rolle 32 zu einem Block 33 hergestellt. In diesem

über die Gesamtlänge der Bahnen beim Aufrollen Beispiel ist die Bahn 30 in ähnlicher Weise, wie in

aufrechterhalten werden kann. Es wird darauf hin- Beispiel 2, ausgebildet und enthält Drähte 34 mit

gewiesen, daß die Drähte höher Festigkeit 12 parallel 25 geringer Festigkeit und Drähte 35. Die Drähte 35

zur Längsachse der Rolle 14 liegen, während sich die sind vorwiegend Drähte hoher Festigkeit 36, aber ein

Drähte 13 mit geringer Festigkeit leicht biegen lassen gewisser Prozentsatz der sich in Längsrichtung er-

und so das Aufrollen der Bahnen erleichtern. streckenden Elemente hoher Festigkeit besteht aus

Die Rolle 14 wird dann zu einem zylindrischen darunter verteilten dickwandigen Kapillarrohren 37,

Block 15 heißgeformt, der die Drähte 12 mit hoher 30 die einen etwas größeren Außendurchmesser als die

Festigkeit in dem Grundmaterial in spiralförmiger Drähte 36 haben.

Verteilung eingebettet enthält, wie es auf der Quer- Die dickwandigen Kapillarrohre 37 können als

schnittsfläche der F i g. 3 zu sehen ist. Kühlrohre in dem aus dem Block 33 herzustellenden

In Beispiel 2, das durch die F i g. 4, 5 und 6 ver- Gegenstand dienen. Sie verbessern ebenfalls die spezi-

anschaulicht wird, wird das Verfahren nach Beispiel 1 35 fische Festigkeit und den Elastizitätsmodul des zu-

zur Herstellung eines Blocks oder Walzenkörpers aus sammengesetzten Materials.

Verbund-Material mit einer speziellen Anordnung der Blöcke gemäß Beispiel 3 wurden unter Verwen-

Verstärkung verwendet. Wie zuvor werden die Ver- dung der gleichen Materialien, wie gemäß Beispiel 1

Stärkungsmaterialbahn 20 (F i g. 4) und die Bahn 21 und 2 für die Grundmaterialbahnen 31 und die aus Grundmaterial aufeinandergelegt. Die Bahn 20 40 Drähte 36 und 34 hergestellt. Die Kapillarrohre 37

besteht wie zuvor aus einem gewebten Netz aus bestanden aus rostfreiem Stahl mit einem Außen-

Drähten hoher Festigkeit 22 und Drähten geringer durchmesser von 0,254 mm.

Festigkeit 23. Die Bahn 20 ist in der Weise ausgebil- F i g. 10 dient der Veranschaulichung von Bei-

det, daß die Länge der Drähte 22 mit hoher Festig- spiel 4, das sich lediglich dadurch von Beispiel 1 keit von einem Maximum an dem einen Ende A der 45 unterscheidet, daß die Verstärkungsmaterialbahn eine

Bahn bis zu einer Minimallänge am anderen Ende B zusammenhängende Platte 40 ist.

linear abnimmt. Durch irgendein Verfahren nach den Beispielen 1,

Nach Herstellen der Rolle 24 und anschließend des 2, 3 oder 4 können Folien oder Schichten von verBlocks 25 (F i g. 5 und 6) nach dem allgemeinen in schiedener Legierungszusammensetzung mit oder Beispiel 1 beschriebenen Verfahren enthält der zu- 50 ohne weitere Drahtverstärkung in den entstehenden sammengesetzte Block eine sich konisch verjüngende Block eingebaut werden.

Verstärkung aus Drähten hoher Festigkeit. Dieses Wenn die zusammengesetzten bzw. Verbundbesondere Verfahren der Anordnung bzw. Ausbil- Blöcke zur Herstellung von Gegenständen durch dung der Verstärkung kann der Erzeugung irgend- einen Formungsprozeß, der von einer maschinellen einer längs der Blockachse veränderlichen Verstär- 55 (spanabhebenden) Bearbeitung verschieden ist, verkung durch eine entsprechende Drahtverteilung über wendet werden sollen, ist es wünschenswert, den den Querschnitt des Blocks angepaßt werden, wie sie gerollten Körper mit einer äußeren Schicht aus für irgendeine spezielle Verwendung erforderlich sein Grundmaterial oder aus einem Material, das sich mit kann. diesem legieren kann, vor dem Heißformungsprozeß

Die Bahn 20 kann in Längsrichtung so ausgebildet 60 abzudecken. Diese Art wird beispielsweise durch

werden, daß die Länge der Drähte22 mit hoher Fig. 11 veranschaulicht, wo ein aufgerollter Körper

Festigkeit in irgendeiner gewünschten Weise variiert. 41 eine rohrförmige Umhüllung 42 aufweist. Diese

So kann beispielsweise durch sorgfältige und detail- Maßnahme gewährleistet, daß keine Drähte an der

lierte Gestaltung der Bahn 20 eine Art der Verstär- Oberfläche des hergestellten Gegenstandes herauskung des resultierenden Blocks erreicht werden, die 65 ragen.

der berechneten Lastverteilung des aus dem Block Eine solche Umhüllung kann dem Schutz des herzustellenden Gegenstands entspricht. Blockes dienen. Wenn beispielsweise das Grund-Zahlreiche zylindrische Blöcke wurden gemäß dem material eine Aluminiumlegierung ist und der Block

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eine Resistenz gegenüber Korrosion haben soll, kann das Rohr 42 handelsüblich reines Aluminium oder sogar ein Aluminium höherer Reinheit sein. Wenn andererseits eine erhöhte Abriebfestigkeit gewünscht wird, kann das Rohr aus einer duktilen Aluminiumlegierung mit hoher Härte bestehen.

Wenn vorher festgelegte Eigenschaften im Grundmaterial entwickelt werden sollen, kann die Verstärkungsmaterialbahn mit einem legierungsbildenden Element überzogen werden, das zu diesem Zweck in das Grundmaterial eindiffundiert. So ist es bei der Verfahrensweise nach den Beispielen 1, 2, 3 und 4 bisweilen zweckmäßig, die Vorteile des reinen Aluminiums für die anfängliche Heißformung der Komponenten zu einer Rolle 14, 24, 32 oder 41 durch Anwendung von reinem oder im wesentlichen reinem Aluminium für die Grundmaterialbahn 10,21,31 auszunutzen und die Verstärkungsmaterialbahn 11,20, 30,40 mit einem anderen Metall zu überziehen, das ein verfestigendes und legierungsbildendes Element für dieses Grundmaterial ist und während einer nachfolgenden Wärmebehandlung in das Grundmaterial diffundiert, sich mit diesem legiert und es dadurch verfestigt. Beispielsweise kann eine aus einem Drahtnetz bestehende Verstärkungsmaterialbahn durch irgendein allgemein bekanntes Verfahren, wie Elektroplattieren oder Heißtauchen, beispielsweise mit Kupfer, Zink oder Silber überzogen werden.

Aus einem Block aus, wie weiter oben beschrieben, zusammengesetztem Material aus Drähten und dickwandigen Kapillarrohren hoher Festigkeit als verstärkende Elemente kann eine Turbinen- oder Kompressorschaufel hergestellt werden. Die Hauptrichtung der Beanspruchung ist für solche Schaufeln bekannt, und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Schaufeln mit planmäßig verteilten Bereichen hoher Festigkeit herzustellen. Bei diesem Verfahren wird eine geeignet ausgebildete Verstärkungsmaterialbahn aus gewebtem Maschenwerk bzw. Drahtnetz aus Drähten hoher Festigkeit und hochfesten dickwandigen Kapillarrohren innenseitig mit einer Schicht aus Grundmaterial aufgerollt. Die so gebildete Rolle wird in ein Rohr aus einem Material, das sich mit dem Grundmaterial legiert, eingesetzt und die zusammengesetzte Anordnung zu einem zylindrischen Block heißgeformt. Ein solcher Block wird in Schaufelform mit einer stetigen kantenlosen äußeren Oberfläche und planmäßig angeordneter Verstärkung zu einem sich nach einem Ende hin verjüngenden Querschnitt ausgewalzt und weist dann an den verstärkten Stellen Kühl-Durchgänge in Form der Kapillarrohre auf.

Der grundsätzliche technische Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Blocks ist eine Zunahme des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, der Beständigkeit gegenüber Ermüdung und/oder Kriechen, besonders bei erhöhten Temperaturen, vor allem, wenn Verstärkungsmaterialbahnen aus Drähten oder anderen in Längsrichtung ausgedehnten Elementen verwendet werden. Diese Verbesserung im Vergleich zu bekannten zusammengesetzten Materialien wird dadurch möglich, daß das Verfahren zu einer merklichen Zunahme des von den verstärkenden Drähten eingenommenen prozentualen Volumens führt. So wurden Blöcke hergestellt, die bis zu etwa 60 Volumprozent Draht hoher Festigkeit enthalten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen, etwa zylindrischen Blockes, der aus einem Grundmaterial und einem Verstärkungsmaterial besteht, die beide achsgleich zur Blockachse spiralförmig ineinander angeordnete, eine praktisch gleichmäßige Verteilung beider Materialien ergebende Schichten bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundmaterialbahn (10, 21, 31) und eine Verstärkungsmaterialbahn (11, 20, 30, 40) übereinandergelegt werden und daß sie zu einer etwa zylindrischen Form aufgerollt und anschließend durch Wärme- und Druckbehandlung in den Block (15, 25, 33) umgewandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerollten Bahnen (41) vor der Wärme- und Druckbehandlung mit einer Schicht aus einem Material (42) bedeckt werden, das gleich dem Grundmaterial oder mit diesem legierbar ist.

3. Verstärkungsmaterialbahn zur Verwendung gemäß Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Drähte (12) oder andere in Längsrichtung ausgedehnte Elemente enthält, die sich in der allgemeinen Richtung der Blockachse erstrecken.

4. Verstärkungsmaterialbahn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Drähte (22) oder andere in Längsrichtung ausgedehnte Elemente von unterschiedlicher Länge enthält.

5. Verstärkungsmaterialbahn nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem gewebten oder anderen Netz (11, 20) mit Elementen, wie Drähten hoher Festigkeit (12,22) in Richtung der Achse des Blocks und Drähten relativ geringer Festigkeit (13,23) in senkrechter Richtung dazu besteht.

6. Verstärkungsmaterialbahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente, wie Drähte relativ geringer Festigkeit (13,23) aus einem Material bestehen, das gleich dem Grundmaterial oder mit diesem legierbar ist.

7. Verstärkungsmaterialbahn nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie rohrförmige Elemente (37) enthält, die sich in Richtung der Blockachse erstrecken.

8. Verstärkungsmaterialbahn nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente, wie Drähte hoher Festigkeit mit einem Metall bedeckt sind, das gleich dem Grundmaterial oder mit diesem legierbar ist.

9. Verstärkungsmaterialbahn zur Verwendung gemäß Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer plattenförmigen Schicht (40) eines Materials besteht, das weniger duktil und von höherer Festigkeit als das Grundmaterial ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen